0 引言
能源是人類(lèi)社會(huì )存在和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎。目前的世界能源以煤炭、石油和天然氣等化石能源為主體。而化石能源是不可再生的資源，并且在生產(chǎn)和消費過(guò)程中產(chǎn)生大量污染物，破壞生態(tài)環(huán)境。
通過(guò)太陽(yáng)能電池將資源無(wú)限、清潔干凈的太陽(yáng)輻射能轉化為電能的太陽(yáng)能光伏發(fā)電，是新能源和可再生能源家族中的重要成員之一。

1 太陽(yáng)能電池的基本原理及伏安特性
當物體受到光照時(shí)，物體內的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢和電流，這種現象稱(chēng)為光生伏打效應。該效應在液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)中都會(huì )發(fā)生。但只有在固體中，尤其是在半導體中，才會(huì )有較高的轉換效率。
太陽(yáng)能電池是一種利用光生伏打效應把光能轉換為電能的器件，當太陽(yáng)光照射到半導體P-N結時(shí)，就會(huì )在P-N 結兩邊產(chǎn)生電壓，使P-N 結短路，從而產(chǎn)生電流。這個(gè)電流隨著(zhù)光強度的加大而增大，當接受的光強度達到一定數量時(shí)，就可以將太陽(yáng)能電池看成恒流電源。
對于太陽(yáng)能電池方陣而言，應按照用戶(hù)的要求、負載的用電量及技術(shù)條件確定太陽(yáng)能電池組件的串并聯(lián)數。串聯(lián)數由太陽(yáng)能電池方陣的工作電壓決定，應考慮蓄電池的均浮充電壓、線(xiàn)路損耗以及溫度變化對太陽(yáng)能電池的影響。蓄電池的容量決定其最大充電電流，該數值再結合負載電流，可決定太陽(yáng)能電池并聯(lián)數。
太陽(yáng)能電池的輸出特性圖如圖1所示，太陽(yáng)能電池的輸出伏安特性曲線(xiàn)是進(jìn)行系統分析的最重要的技術(shù)數據之一。從圖1 中可以看出，太陽(yáng)能電池的伏安特性具有強烈的非線(xiàn)性。



圖1 太陽(yáng)能電池輸出特性
在光伏系統中，負載的匹配特性決定了系統的工作特性和太陽(yáng)電池的有效利用率。要想在太陽(yáng)電池供電系統中得到最大功率，必須跟蹤日照強度和環(huán)境溫度條件，不斷改變其負載阻抗的大小，從而達到陣列與負載的最佳匹配，該方法被稱(chēng)為最大功率點(diǎn)跟蹤淵MPPT冤法。

2 小功率太陽(yáng)能控制器
圖2 為小功率太陽(yáng)能控制器電路結構圖，蓄電池和太陽(yáng)能電池陣列直接耦合， 當白天有陽(yáng)光時(shí)，太陽(yáng)能電池陣列向蓄電池充電，當夜晚或陰天陽(yáng)光不足時(shí)，蓄電池放電，保證負載不停電。

圖2 小功率太陽(yáng)能控制器電路結構
對于小功率太陽(yáng)能控制器而言，為節約成本，常用的控制方式為恒定電壓跟蹤淵CVT冤法，即通過(guò)合理選擇太陽(yáng)電池的串并聯(lián)數，使陣列在最大功率點(diǎn)附近的運行電壓近似于蓄電池的端電壓，即可獲得蓄電池和太陽(yáng)電池方陣之間的電壓最佳匹配。

3 24V/5A太陽(yáng)能控制器電路分析
圖3為24 V/5 A 太陽(yáng)能控制器主回路電路圖。該控制器采用單路旁路型充放電控制器形式，即MOSFET管S1 并聯(lián)在太陽(yáng)能電池陣列的輸出端，當蓄電池端電壓充到均充電壓值時(shí)，S1進(jìn)入脈寬調制狀態(tài)，避免蓄電池過(guò)充。
圖3 中Vin+和Vin-連接太陽(yáng)能電池陣列的輸出，Vout+和Vout-連接直流負載，VB和GND 連接鉛酸蓄電池的正負兩端。

圖3 太陽(yáng)能控制器主回路電路圖
D1 為“防反充二極管”，只有當太陽(yáng)能電池方陣輸出電壓高于蓄電池電壓時(shí)，D1才能導通，反之D1截止，從而保證夜晚或陰雨天時(shí)不會(huì )出現蓄電池向太陽(yáng)能電池方陣反向充電，起到“防反向充電保護”作用。
D2為“防反接二極管”，當蓄電池極性接反時(shí)，D2 導通，使蓄電池通過(guò)D2 短路放電，產(chǎn)生很大電流，快速使保險絲F1 燒斷，起到“防蓄電池反接保護”作用。
MOSFET管S2為蓄電池放電開(kāi)關(guān)，在鉛酸蓄電池放電時(shí)，從保護蓄電池的角度出發(fā)，當蓄電池電壓小于“過(guò)放電壓”時(shí)，S2截止，切斷蓄電池和負載的回路，進(jìn)行“過(guò)放電保護”，避免電池放空，損壞蓄電池。當太陽(yáng)能電池陣列重新供電，只有當蓄電池電壓重新升到浮充電壓時(shí)，S2才重新導通，接通負載回路。
需要指出的是，當控制電路切斷負載回路后，控制電路仍然要消耗蓄電池能量，因此控制電路要盡量減少電子元器件以降低功耗。出于此目的，該電路采用PHILIPS 公司的單片機P87LPC767作為CPU。該單片機是20 引腳封裝的單片機，基本結構與51 系列兼容，適合于許多要求高密度、低成本的場(chǎng)合。其內含4KB的OTP程序存儲器和128B 的RAM，并且內置4 路8 位A/D轉換器。尤其是工作在100 kHz耀4 MHz，電源電壓為3.3 V時(shí)，其功耗電流僅為0.044耀1.7 mA，非常適合蓄電池供電的系統。

受體積和成本的限制，以單片機為核心的控制電路電源直接通過(guò)蓄電池端電壓變換得來(lái)，該電路通過(guò)圖4 中的LM317 三端可調穩壓器變換出單片機的電源電壓，控制電路與主回路共地。

圖4 單片機電源變換電路
LM317 為三端可調正壓穩壓器，其輸出電壓范圍為1.25耀37 V，只需2 個(gè)外接電阻即可設置輸出電壓。LM317 的輸出端Vout和調整端adj之間提供1.25 V的基準電壓VREF，輸出電壓滿(mǎn)足式（1）。


由于LM317 的輸入和輸出電壓差為40 V，而對于24 V 的太陽(yáng)能控制器，太陽(yáng)能電池陣列的開(kāi)路電壓有可能達到50 V，為避免瞬間過(guò)壓，在LM317 輸入端并接穩壓管D13進(jìn)行保護。
圖5為單片機P87LPC767的管腳連接圖。電路中單片機的主要功能就是測量蓄電池端電壓，進(jìn)而控制S1和S2 的導通狀況，保證電路的穩定運行。由于P87LPC767 自帶8 位AD，單片機又與主回路共地，因此采用直接電阻分壓測量即可，即電路圖5 中的VAD1。
　
圖5 P87LPC767 管腳連接圖
當該控制器負載為路燈時(shí)，應具備光控功能，即有太陽(yáng)光時(shí)，S2截止曰夜晚或陰雨天光線(xiàn)不足時(shí)，S2導通，路燈照明。由于光線(xiàn)不足時(shí)，太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓下降顯著(zhù)，因此可通過(guò)對其輸出電壓進(jìn)行分壓測量（VAD2），判斷光線(xiàn)情況，作為S2導通和截止的一個(gè)判斷依據。
P87LPC767 使用P1.7（Fzs）和P1.6（PWM）作為兩個(gè)MOSFET 的柵極控制信號。以S1 的控制為例，當P1.6 輸出高電平時(shí)，MOS 管S1 導通，S1 柵極驅動(dòng)信號vgs1被拉低，S1截止。如圖6 所示。由于MOSFET的柵極驅動(dòng)電壓不能超過(guò)20 V，因此當P1.6 輸出為低電平時(shí)，V5 截止，蓄電池電壓經(jīng)R9和R13分壓后產(chǎn)生S1的驅動(dòng)信號。S1 和S2 在主回路中的連接方法可解決其驅動(dòng)共地問(wèn)題。


圖6 MOSFET的驅動(dòng)電路
圖6 MOSFET的驅動(dòng)電路，控制器還配置了蓄電池放電容量指示燈，如圖7所示。4 個(gè)發(fā)光二極管分別對應蓄電池容量的100%、75%、50%和25%。P87LPC767 測量蓄電池端電壓后，根據其數值決定4 個(gè)發(fā)光二極管的亮滅情況。需要指出的是，當蓄電池充電時(shí)，其端電壓與容量沒(méi)有直接關(guān)系，發(fā)光二極管的指示沒(méi)有實(shí)際意義，只有當蓄電池放電時(shí)，其端電壓可以在一定程度上反映電池容量。


圖7 蓄電池容量指示驅動(dòng)電路

4 結語(yǔ)
提供了一套24 V/5 A 太陽(yáng)能控制器電路，其成本低廉且性能穩定，具備廣泛推廣的價(jià)值。